많은 연구소에서는 더 낮은 밀도, 150℉ 이하의 온도, 1~2ft/min의 컨베이어 벨트 속도에서 작동할 수 있는 향상된 클리닝 유체 개발을 진행 중이다. 이러한 일들을 이루기 위해서는 개인 랩, 사용자, 솔더 페이스트 업체들 그리고 장비 업체들이 밀접하게 협력해야만 한다.
자료출처 : SG미디어 자료실

기계적 이동력

제조현장에서 더 빠른 프로세스 사이클과 더 짧은 세척장비 길이를 요구함에 따라, 장비 제조업체 들은‘어떻게 성능의 하락 없이 이러한 요구에 대응할 수 있을까?’에 초점을 두고 있다. 급변하는 세계에서 단지 불변하는 것은 물리적 법칙이다. 이러한 법칙은 피할 수 없고, 성능하락을 자주 제한한다. 장비 제조업체들은 이들 법칙이 n차 등급까지 내려가는지를 연구해야만 하고, 최종적으로 장비의 경우, 세척 보드를 전달하는 문제에서 무엇이 문제인지 알아야 한다. 그래서 장비에 의해 전달되는 최적의 기계적 에너지를 어떻게 할 수 있는가? 아마도 충격 에너지로의 펌프 마력이 효율적으로 변환되는 것은 적당한 시간내에 보드 표면에 최대화해야 한다.
대기 머신 테스트에서 인라인 스프레이는 거의 80/20 규칙의 기계 에너지와 화학 에너지 사이의 관계가 나타난다. 접촉 시간을 포함한 노즐 선택 및 패턴 디자인은 특히, Pb-Free 잔사에서 중요한 변수라고 입증되어 왔다. 노즐 스프레이 패턴은 오늘날 클리닝 장비에 일반적으로 적용되고 있으며, 두 개의 카테고리로 분산형(팬, 델타, 원추)과 초점 직진형이 있다. 초점 노즐에 의해 보드에 에너지가 전달되는 것은 분산형 플로우 노즐 전달 보다 거의 20배이다. 그러나 각각의 노즐 타입은 중요한 역할을 담당한다. 분산형 패턴은 완벽한 접촉 및 soak를 제공하는데 특히 효과적이다. 이는 보드 온도를 올리는데 쉬운 반면, 가용성 및 연성 잔사와 서로 관계 깊은 화학재의 추가 접촉 시간이 필요하다. 초점형 직진 노즐은 클리닝 화학재에 의해 표면으로부터 대체 잔사를 자유롭게 하기를 요구하는 높은 표면 에너지를 제공한다. 혁신적인 디자인 및 확실한 발전은 노즐 및 화학 클리닝 에너지 작업 모두 이용되고 있으며, 성공적인 잔사 제거를 가능케 한다.
다음 레벨 혹은 하부 레벨로의 관계를 보면, 어떻게 노즐 작업이 부품 및 패드 주변의 표면 잔사만 실시하고, 오늘날 Pb-Free SMT 어셈블리에서 발견되는 모든 서로 다른 부품 밑의 잔사 제거를 실행하는가? 최적의 조합을 찾는 게 가능하고 최적의 압력 및 플로우 비율에서 노즐 패턴의 타이밍이 모든 SMD 타입 100% 세척이 가능한가? 1825 커패시터, 마이크로 BGA, BGA 혹은 플립칩 등에서 세척하기 가장 어려운 부품들은 무엇인가? 본고에서는 여러 가지 노즐 조합과 이들의 서로 다른 타이밍 그리고 그들의 클리닝 결과에 대해 알아본다.

화학 이동력

클리닝 액제는 화학적인 이동력이 이용된다. 이는 클리닝 공정동안 서로 다른 기능적 특성이 발생하도록 한다. 1960년대에 잘 알려진 바와 같이 로진 플럭스 잔사를 감화로 만들기 위해 지방성 아민계 조성이 사용됐다. 화학 반응은 알콜 및 카르복실 산(carboxylic acid)의 아민 결정으로 지방성 아민이 지닌 열의 존재하는 로진 플럭스가 변한다. 수용성 제품은 스프레이 도구를 이용한 뜨거운 물에 의해 쉽게 제거된다. 저 잔사 무세척 플럭스가 시장에서 주류를 이룸에 따라, 변경된 레진에는 효과적인 세척을 위해 알맞은 가수(加水)분해와 결합해 늘어난 용해력이 요구된다.
전통적인 액상 클리닝 세제는 5~15년 전부터 발전되었다. 플럭스 조성이 목표였으며, 최초에는 전형적인 로진 플럭스에서 시작해 결국에는 공융 무세척 플럭스 솔더링을 위해 디자인되었다.
이러한 클리닝 세제는 혁신적이었고, 파괴적인 기술이었다. 그래서 반수용성(semi-aqueous), 증기세척법(vapor degreasing) 및 수용성 감화(saponified)와 같은‘주요한’클리닝 세제가 등장했다. 새로운 기술들은 aqueous medium에서 높은 용해력을 형성함에 따라 동작한다. 이러한 클리닝 공정의 이점들은 수용 세척을 제조 현장에서 프로세스 세척용으로의 선택이 가능하도록 한다는 것이다. 두 개의 다른 접근법은 비수용성 산화 화합물과 대조되는 수용성을 사용해 클리닝하는 데 초점을 두고 있다. 양쪽 모두 광대한 범위에서 플럭스 잔사 세척에 높은 효율을 보여준다.
Pb-Free 솔더링은 많은 문제들이 도출됨에 따라, 이 같은 문제들을 해결하기 위해 혁신적인 플럭스 함유를 요구한다. 다량의 주석(Sn) 합금비율은 공융 SnPb 합금과 같이 젖어들지 않고, 아울러 self-center 성능이 줄어든다. 게다가 금속 구조의 형상도 선명하지 않게 된다. 최근 솔더 페이스트는 공융 SnPb 성능과 비슷한 성능의 형상을 지닌 솔더 범프를 제공하려고 발전하고 있지만 아직까지 한계에 부딪혀 있다. 클리닝 유체 디자인 관점에서 본다면, 맨 처음 확인해야 할 대상은 잔사를 해결하는 재질 점검이다. 보고서에서는 이 문제를 해결하기 위한 화학 동력에 대해 의문을 표하고 있다. 용해력 혹은 반응성을 통해 좀 더 효율적인 동력일까?
반응력과 비교해 용해력의 의문을 설명하기 위해, 디자인된 실험에서는 각 재료의 클리닝 기여도를 이해하기 위해 사용되었다.
실험된 무연 재료들은 반응력을 위해 확실하게 선택했다. 더 높은 반응력의 클리닝 솔루션들이 통상적으로 많은 트레이드 오프를 유발했으며, 일부는 가혹한 솔더 범프의 접촉 형성 및 융화 억제를 만들었다. 추가적으로 고도의 반응력 클리닝 부분은 부식되었다. 이는 어셈블리의 마감재 보호를 위한 부가적으로 사용이 자주 요구한다. 일부에서는 특히, 한정적인 친환경 rinse water 중화처리제는 드레인에 rinse water가 적용되기 이전에 요구될지도 모른다. 이러한 디자인 한계를 고려해 볼 때, 더 높은 반응력 클리닝 부분은 최종 선택사항으로 고려되어야 한다. 그림 1에서는 화학 추진력으로써 용해력을 이용했을 때의 솔더 범프와 비교해 고도의 반응력 클리닝 솔루션을 적용했을 때의 선명하지 못한 Pb-Free 솔더 범프를 보여주고 있다.

화학 구동력에 의해 표면 잔사가 이뤄졌다면, 반드시 고려되어야 할 다음의 디자인 기준은 표면의 장력이다. 고집적 부품들은 보드 표면에 협소하게 스탠드오프되어 있다. Pb-Free 플럭스 잔사는 부품 아래의 플럭스 댐에서 형성된다.
클리닝 용제는 효과적인 플럭스 잔사 제거를 위해서, 짧은 시간에 많은 부품에 효과를 미치는 제품을 사용해 반드시 부품 아래로 흘려야 한다. 이를 위해서 계면활성제 기술은 매우 얇은 벽을 지닌 미세 방울을 형성하도록 요구된다. 아울러 Stach 및 Bixenman의 보고서(2005년)에서는 리플로우 이후 곧바로 클리닝하는 것이 평편하게 실장된 부품 밑의 클리닝 효과를 향상시킨다고 말하고 있다. 리플로우와 클리닝 간의 시간이 길면 길수록, 클리닝 액제에서 늘어난 시간은 성공적인 세척을 위해 필요해 질 가능성이 더욱 크다.

실험 조건

Stach 및 Bixenman(2004년)의 보고서에서는 배치 및 인라인 스프레이 클리닝 시스템 안에서 클리닝 에너지 최적화를 연구했다. 기계적인 클리닝 시스템의 목적은 보드 표면에 전달되는 늘어난 에너지로 인해 시간을 감소시키는 것이다. 표면에 전달되는 물리적 에너지를 최대화하는 것은 다이내믹한 클리닝 비율을 증가시킨다. 클리닝은 클리닝 되어진 부분을 가로질러 어떻게든 플로우 작용을 한다. 그래서 화학 구동력은 클리닝 유체가 이동 및 좁은 부분을 벗어나도록 얇고, 작은 물방울로 형성해야만 한다. 아울러, 스프레이 노즐 제트는 클리닝 되어진 부분의 표면에 에너지를 전달한다. 노즐의 디자인 및 권장사항은 클리닝 시스템 최적화에 중요한 부분이 되고 있다.
Pb-Free 클리닝 프로세스를 최적화하기 위해, 클리닝 장비 및 클리닝 화학재 제조업체들은 향상된 클리닝 장비와 클리닝 액체 디자인을 공동연구 해야 한다 . Stach and Bixenman(2005) 보고서에서는 클리닝 프로세스 내에서 타이밍과 SOE(sequence of event)가 중요하다고 말하고 있다. 프로세스 내에서 각각의 섹션 혹은 스텝은 주의 깊은 사고력, 이해 그리고 고체 디자인이 필요하다. 예비-세척은 세척제를 이용해 철저하게 부품에 젖어야만 하고, 충분한 플로우가 제공되어야 하며, 어셈블리 세척 온도에 도달하도록 접촉시간이 유지되어야만 한다. 이는 잔사가 부드러워지는 동안 전체 정적-클리닝 비율 도달을 촉진한다.
세척 존 내에서, 여러 번의 큰 충격과 짧은 soak 기간으로 중단됨을 볼 수도 있다. 이는 부품에 신선한 클리닝 유체를 유지함으로써 정적 비율을 최적화한다. 그리고 부품 표면에 최대 물리에너지에 초점을 둠으로써 동적인 비율을 최적화한다. 실험 설계의 의도는 두 개의 경성 잔사 Pb-Free 재질과 두 개의 공융 SnPb 경성 잔사의 효과적인 세척을 비교하는 것이다. 선택된 Pb-Free 페이스트는 세척에 가장 어려운 재질의 두 개로 했다.
실험에서는 다이 밑에 페이스트 플럭스가 리플로우 된 3mm 스탠드오프를 사용했다. 팬 vs 일관된 스프레이 패턴을 비교하면서 높은 용해력의 클리닝 유체가 Pb-Free용으로 디자인되었다.

연구 방법론

정량 방법에서는 주제를 정하고, 패턴에 노출하며, 문제를 서술해서 결과를 예측할 수 있다. 이러한 실험을 통해 보고서에서는 두 개의 공융 낮은 잔사 솔더 페이스트와 두 개의 Pb-Free 낮은 잔사 솔더 페이스트를 비교했다. 그림 2에서는 3mm 스탠드오프를 이용한 1″×1″글래스 다이에 글래스 슬라이드한 테스트를 도식화했다. 플럭스는 글래스 다이의 두 부분에 디스펜스되었고, SnPb 페이스트를 위해 공융 프로파일과 Pb-Free 페이스트를 위해 Pb-Free 프로파일 스파이크 램프가 리플로우되었다.
클리닝 솔루션 온도는 140℉에 고정되었다. 세척에 있어서 팬과 솔리드 스트림 응집 노즐 모두를 사용한 수용성 인라인 클리닝 머신이 사용되었으며, 또한 고압력 세척 존에서 델타 노즐을 이용한 장비가 이용되었다. 클리닝 유체는 낮은 반응력과 높은 융해가 결합된 것을 이용해 테스트했다. 이 계승 실험은 1, 1.5,2 그리고 3피트/m의 벨트 속도 시간의 변수, 팬 및 응집세척 노즐 그리고 클리너 밀집도를 측정했다.

실험 결과

그림 3 및 그림 4에서는 공융 SnPb 페이스트 플럭스를, 그림5 및 그림 6에서는 Pb-Free 페이스트 플럭스를 보여주고 있다.
데이터들을 얼핏 살펴보면, Pb-Free 페이스트 플럭스와 비교한 공융 페이스트 플럭스와의 클리닝 차이점이 놀랄 정도로 비교됨을 알 수 있다. Pb-Free 플럭스는 세척하기 위해 더욱 경화되었다. 그림들에서는 긴 세척 시간은 클리닝 성능을 향상시키고 있음을 나타내고 있다. 또한 JIC 노즐은 낮은 스탠드오프 부품아래의 클리닝 성능을 향상시켰다. 그림에서는 더 많은 클리너 집중이 성능을 향상시킨다는 것을 확연하게 입증하지 못했다.

결론 및 추천사항

데이터는 세척을 위해 더 경화되는 Pb-Free가 핵심이다. 보고서에서는 혁신적인 첨단 화학유체가 필요하고, 기계적인 디자인을 향상시키는 방향으로 연구를 지속하고 있다. 수용성, 연성잔사 및 경성 잔사 Pb-Free 솔더 페이스트가 클리닝 유체와 기계적 디자인으로 세척할 수 있음을 알고 있으나, 공정 파라미터에서는 가장 경한 잔사 플럭스에 염두 해 설정해야만 한다. 일반적인 파라미터들은 공융 SnPb 클리닝을 적용된다. 인라인 클리닝 머신 프로세스는 다음과 같다; 10~30% 클리닝 밀도; 2~3ft/min 벨트 속도; 120~160℉ 세척통 온도.
Pb-Free 클리닝 데이터는 ▶ 더 높은 프로세싱 온도는 일반적으로 필요하다 ▶ 더 늦은 벨트 속도는 자주 요구된다 ▶ 더 높은 클리너 밀도가 자주 요구된다 등을 추측할 수 있다. 그림 7과 그림 8은 일직선형(solid stream) 및 시트 집중 노즐(sheet coherent nozzle) 모두를 적용해 더 높은 프로세싱 온도와 밀도를 적용했을 때 향상된 클리닝을 도식화하고 있다. 데이터에서는 스펙트럼의 높은 가장자리로 밀고 있는 프로세스 파라미터를 이용해 더 협소한 프로세스 윈도우에 초점을 두고 지속했다.
Pb-Free는 변화하는 어셈블리 현장 제조 프로세스가 핵심이다. 이러한 변화를 설명하기 위해 솔더 페이스트 제조업체에 의해 소개되고 있는 새로운 테크놀로지의 연속성에 대응해 클리닝 화학 제조업체들은 자체 제품들이 제공하는 발전을 위해 유지해야만 한다. 초창기 일반적인 Pb-Free 재질은 자체 Pb-Free 제품에 공융 플럭스 성분을 자주 적용했다. 성능이 떨어지는데, 이는 향상된 젖음성, 열 안정성 및 솔더 형상 요구를 충족시키기 위해 새로운 플럭스 성분을 연구, 개발하도록 이끌었다. 이러한 발전 사이클은 지난 3~4년 전에 집중적으로 이뤄졌다.
동일하게 클리닝 화학 제공업체들에 눈이 돌려졌다. 과거의 제품들로 작업할 수도 있었으나, 업체들은 더 높은 밀도, 더 길어진 세척 시간 그리고 더 높은 프로세싱 온도에서 작업을 해야만 했다. 이는 더 높아진 공정비용과 더 낮아진 효율성이라는 등식으로 나타났다.
작업자들이 자체 클리닝 프로세스의 경쟁적인 비용 이점을 확보하기 위해, 이전의 클리닝 테크놀로지에서부터 최신 클리닝 장비 및 재료로의 전환은 향후 제조비용 감소에 필수적인 단계가 될 것이다.
데이터에서는 세척에서 일직선형 JIC 및 시트 집중 노즐이 클리닝 성능을 향상시킨다는 것을 추측할 수 있었다. 클리닝 머신에서 기계적인 디자인은 용해도 높은 테스트를 돕기 위해 부품 밑면으로 클리닝 유체를 미는 것이 필요하다. 분산형 노즐은 더높은 온도와 밀도에서 조차 이러한 작업을 실행하지 못했다. 지난 20년 동안 클리닝 업계에 사용되어 지고 있는 집중 노즐 테크놀로지는 Pb-Free 잔사 클리닝에 필요하다는 것이 여전히 입증되었다.
많은 연구소에서는 더 낮은 밀도, 150℉ 이하의 온도, 1~2ft/min의 컨베이어 벨트 속도에서 작동할 수 있는 향상된 클리닝 유체 개발을 진행 중이다. 이러한 일들을 이루기 위해서는 개인 랩, 사용자, 솔더 페이스트 업체들 그리고 장비 업체들이 밀접하게 협력해야만 한다. 협력 단체들의 관계로 제품 개발 사이클이 단축되었고, 또한 가장 중요한 부분인 디자인에 초점을 두고 있다. 아울러, 새로운 세대의 솔더 페이스트 디자인 시, 솔더 페이스트 업체들은 클리닝을 고려해야만 한다.